普林斯顿工程师开发出新型超韧水泥 强度提高5.6倍

这种结构可防止裂纹扩展，并增强材料的韧性。图片来源：Sameer A. Khan/ Fotobuddy

普林斯顿大学的工程师们从人类骨骼坚韧的外层汲取灵感，创造出一种水泥基材料。这种生物启发设计的抗破坏性是传统材料的 5.6 倍，能够更好地抵御开裂，防止突然失效，而这正是传统脆性水泥基材料的常见问题。

在最近发表于《先进材料》（Advanced Materials）杂志上的一项研究中，由土木与环境工程系助理教授 Reza Moini 和博士三年级学生 Shashank Gupta 领导的研究小组证明，采用管状结构的水泥浆可以显著提高抗裂纹扩展的能力，并改善变形能力而不会突然失效。

古普塔说："脆性建筑材料的工程难题之一是它们会以一种突然的、灾难性的方式失效。在建筑和民用基础设施中使用的脆性建筑材料中，强度确保了承受载荷的能力，而韧性则支持结构抗开裂和抗破坏扩散的能力。为解决这些问题，我们提出了一种既能保持强度，又比传统材料更坚韧的材料。"

Moini 说，改进的关键在于有目的地设计内部结构，平衡裂缝前端的应力和整体机械响应。利用断裂力学和统计力学的理论原理，'通过设计'改善材料的基本特性。

研究人员 Reza Moini（左）和 Shashank Gupta 创造出更坚固耐用的建筑材料。图片来源：Sameer A. Khan / Fotobuddy

研究小组的灵感来自人类的皮质骨，这是人类股骨的致密外壳，可以提供强度并防止骨折。皮质骨由被称为"骨子"的椭圆管状成分组成，它们被薄弱地嵌入有机基质中。这种独特的结构使骨质周围的裂缝发生偏转。古普塔说，这可以防止突然断裂，并增加裂纹扩展的整体阻力。

研究小组的生物启发设计在水泥浆中加入了圆柱形和椭圆形管子，这些管子与不断扩展的裂缝相互作用。

Moini 说："当加入空心管时，人们预计材料的抗开裂性会降低。我们了解到，通过利用空心管的几何形状、尺寸、形状和取向，我们可以促进裂缝与空心管之间的相互作用，从而增强一种性能，而不会牺牲另一种性能。"

研究小组发现，这种增强的裂纹与管材的相互作用启动了一种阶梯式增韧机制，裂纹首先被管材阻挡，然后延迟扩展，从而在每一次相互作用和每一个阶梯中都产生额外的能量耗散。

古普塔说："这种循序渐进机制的独特之处在于，每条裂纹的延伸都受到控制，从而避免了突然的灾难性破坏。材料不会一下子断裂，而是能够承受渐进式的破坏，从而变得更加坚韧。"

解决韧性和失调问题的创新方法

与通过添加纤维或塑料来强化水泥基材料的传统方法不同，普林斯顿大学团队的方法依赖于几何设计。通过操纵材料本身的结构，他们在不需要额外材料的情况下显著提高了材料的韧性。

除了提高断裂韧性，研究人员还引入了一种量化无序程度的新方法，这是设计的一个重要指标。在统计力学的基础上，研究小组引入了参数来量化结构材料的无序程度。这样，研究人员就能创建一个反映结构无序程度的数值框架。

研究人员说，新框架更准确地描述了材料的排列，超越了周期性和非周期性的简单二元分类，而转向从有序到随机的光谱。这项研究与那些将不规则性和扰动与统计无序混为一谈的方法（如Voronoi tessellation和扰动方法）有所区别。

"这种方法为我们提供了一种强大的工具，用于描述和设计具有定制无序程度的材料，"Moini说。"使用先进的制造方法（如增材制造）可以进一步促进更无序和机械性能更佳的结构设计，并允许将这些管状设计扩大到民用基础设施的混凝土构件中"。

研究团队最近还开发出了利用机器人技术和增材制造技术实现高精度的技术。通过将这些技术应用于新的结构以及管内软硬材料的组合，他们希望进一步扩大建筑材料的应用范围。

"我们才刚刚开始探索各种可能性，"古普塔说。"还有许多变量需要研究，比如将无序程度应用于材料中管子的大小、形状和方向。这些原理可以应用于其他脆性材料，从而设计出更抗破坏的结构。"

编译自/scitechdaily